论文部分内容阅读
摘 要:植入式电刺激系统依据人体自主的运动机理,通过施加一定的脉冲电刺激信号,达到对瘫痪或衰退的肌肉功能重建或恢复的效果。本文综述了植入式电刺激系统的研究现状,并对植入式电刺激系统的结构和功能模块进行了描述。
关键词:植入式 电刺激FPGA Zlgbee协议
0 引言
电刺激疗法是使用低频电流刺激失去神经控制的神经、肌肉及其他靶器官,达到防止肌肉萎缩、促进神经再生、缓解疼痛、改善器官及肢体功能的方法。随着微电子技术、通信技术、材料技术以及生物等技术的发展,电刺激已从传统的经皮刺激逐步发展到植入式电刺激的阶段。与经皮电刺激相比,植入式电刺激具有刺激定位准确、治疗效果好而刺激电流小、疼痛感轻等优点。植入式神经电刺激系统的基础研究,将有助于因脊髓损伤导致的瘫痪、周期性偏头痛等病的治疗,造福于患者。
1 植入式电刺激系统的发展历史和研究现状
上世纪70年代兴起的经皮神经电刺激是通过皮肤将特定的低频脉冲电流输入人体以治疗疼痛的电疗方法,在直通方面收到较好的效果,得到了广泛应用。但是这种方法具有定位不准确、刺激信号大小不易控制等缺点。
植入式电刺激技术开始于上世纪80年代末。早期的植入式电刺激系统电路采用分立元件设计,功能简单、可靠性低。到了90年代初,电刺激系统开始采用CMOS专用集成电路以实现程控逻辑功能,但是其研制费用和风险大,硬件逻辑灵活性差,逻辑功能有限。
90年代中期以来的现代植入式电刺激系统设计多采用带微处理器的专用集成电路,再和电容、晶振等分立元件一起组成系统电路。如此设计的电路功能强,可靠性高,编程灵活,系统扩展性好。
目前世界范围内研究比较多的植入式电刺激系统有人工耳蜗、膀胱功能恢复、心肌细胞培养以及脑深部电刺激等。
2 植入式电刺激系统设计方案
2.1 系统结构和工作原理植入式电刺激系统主要由两个部分构成:体外控制器和植入体内的刺激器,通过无线通信方式完成两部分之间的信息传递,结构见图1。系统工作原理是首先,通过体外控制器的按键模块选择存储在存储模块里的刺激信号波形参数,然后经无线通信模块向体内刺激器发送刺激信号的波形类型等参数信息,而体内刺激器由无线模块接收到体外控制器的刺激信号波形的相关参数后,经信号控制模块产生相应的控制信号指导刺激信号发生模块产生频率、极性、脉宽、强度等可变的刺激信号,最后通过生理电极阵列对神经或肌肉进行电刺激,同时体内的刺激器可以通过无线通信模块向体外控制器返回其工作状态,并在显示模块予以显示。
2.2 体外控制器的电路设计体外控制器总体上包括微控制器、无线通信模块、电源管理模块、存储模块、键盘以及显示模块、RS232串口模块等部分组成。
2.2.1 控制模块微控制器选用比较常见的S3C2410。$3C2410处理器是samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核,采用0.18um制造工艺的32位微控制器。该处理器拥有:独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache,MMU,支持TFT的LCD控制器,NAND闪存控制器,3路UART,4路DMA,4路带PWM的Timer,I/O口,RTC,8路10位ADC,Touch Screen接口等,可以支持wince、Linux等操作系统。
微控制器主要负责协调各个模块之间的正常工作。其主要工作包括:①通过外围串口与上位机进行数据传递:②通过键盘选择并读取存储器中预先设置好的刺激信号的波形信息通过无线通信模块发送给体内刺激器,产生相应的刺激信号,同时将接收到的体内刺激器的状态信息写入存储器;③控制显示模块正确显示刺激信号样本以及体内刺激器的相关状态信号。
2.2.2 串口通信模块采用MAX232电平转换芯片,与S3C2410自带的UART接口完成串行通信模块的硬件电路设计。串行通信模块主要负责与上位机的通信:上位机通过串口通信模块将一些预设好的刺激信号波形参数传输至控制模块,并由控制模块写入存储模块。
2.2.3 存储模块存储模块采用型号为K9F6408QOC的NANDFIash,K9F6408QOC是三星公司生产的8Mx8构成、超低电压型、48脚TBGA封装、0.15微米制成的闪存芯片,很容易与S3C2410的NAND Flash闪存控制器进行接口。存储模块的作用是存储一些刺激信号波形参数以及系统工作时的状态信息。
2.2.4 无线通信模块无线通信模块采用基于Zigbee协议的无线通信方式,Zigbee是一种低成本、低功耗、低复杂度的无线通信技术。同时Zigbee通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。除此之外,zigbee还采用了碰撞避免策略,为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,MAC层采用了完全确认的数据传输模式。无线收发芯片选择MCl3192,它是飞思卡尔公司提供的符合}EEE802,15.4标准的带数据调制解调器的射频收发芯片。该芯片性能稳定,功耗很低,采用经济高效的CMOS设计,几乎不需要外部组件,它选择的工作频率是2.405—2.480GHz,数据传输速率为250kbps,采用O-QPSK调试方式。这种功能丰富的双向2.4GHz无线收发器带有一个数据调制解调器,可以在ZigBee技术应用中使用,它还具有一个优化的数字核心,有助于降低Mcu处理功率,缩短执行周期。无线通信模块的主要作用是将用户选择的刺激信号波形信息发送至体内刺激器的无线通信模块,同时接收体内刺激器传回的一些状态信息。
2.2.5 显示、按键以及电源模块显示、按键部分主要负责向用户提供一个可操作、可视化的功能界面,用户可以通过按键选择存储在存储器中的刺激信号,同时可以在显示器上观察到系统的工作状态。电源模块负责向体外控制器的各个部分提供稳定的电压信号。
2.3 体内刺激器的电路设计植入到人体内的刺激器电路由无线通信模块、信号控制模块、刺激信号发生模块、电源模块以及相应的刺激电极组成。其基本工作过程是:当无线通信模块接收到体外控制器的控制命令之后,唤醒信号控制模块,信号控制模块解析接收到的命令,进而控制刺激信号发生模块产生刺激信号,经刺激电极对刺激部位进行电刺激。
2.3.1信号控制模块信号控制模块控制体内刺激器的无线通信模块和刺激信号发生模块的工作,是整个植八式电刺激器的核心。由于植入式电刺激器对功耗要求相当严格,所以信号控制模块通常采用集成度高、低功耗的微处理器及其外围接口电路组成。
信号控制模块采用xiIinx公司生产的Virtex-5产品,它采用65nm工艺,与之前的90nm工艺的FPGA相比,速度平均提高了30%,容量增加了65%,动态功耗降低了35%,使用面积减少了45%。通过硬件描述语言完成电路的设计,可方便地构造出无线通信模块接口以及刺激信号发生模块接口,最主要的是基于FPGA平台,应用 DDS(Direct DiqitaI Frequency Synthesize,直接数字频率合成)技术可方便地产生任意所需的刺激信号波形。
2.3.2 无线通信模块植入式电刺激器通过无线通信的方式与体外控制器进行双向数据传输。由于工作在体内,所以对无线通信模块有低功耗、高可靠性的要求。目前运用在植入式电刺激器上的主要有RF射频无线通信和基于Zigbee协议的无线通信方式等。
考虑到功耗以及与体外无线收发接口等因素,无线通信模块也采用基于Zjgbee协议的无线通信方式,同时也采用与体外无线收发模块相同的芯片。无线通信模块的主要作用是接收体外控制器输入的刺激信号参数信息,并传递给信号控制模块,同时向体外控制器返回体内刺激器的工作状态信息。
2.3.3 刺激信号发生模块通常生理刺激电极间的人体组织负载电阻在1K到几十K欧姆之间变化,加之长期单向电刺激会在刺激组织内产生极化作用,因此通常采用双相恒流电刺激…㈣。
刺激信号的产生采用基于FPGA的DDS技术实现。该技术具有频率分辨率高、变频速度快、变频相位连续、相位噪声低等优点,其幅度、相位、频率均可通过程序控制。由于FPGA产生的波形数据是数字信号,所以需要经过D/A转换,才能形成刺激信号。在本系统中,D/A转换器采用MAX530,它是一款低功耗、12位、并行输入的数模转换器。通常情况下,D/A转换后的信号是单相的,此时需要将单相信号经过正相侧加法器转变为双向信号,其电路如图2-1所示,图中的运算放大器采用Tl公司生产的单电源供电、微功耗OPA2336PA运放。由于刺激信号是恒流信号,所以在正相侧加法器后面还需要加一级压控恒流源电路。普遍采用如图2—2所示的双运放压控恒流源电路,图中的运放采用ADI公司生产的低功耗运算放大器0P200GP,其内部集成了两个OP07。
对于不同部位的电刺激,刺激信号的波形也有所不同:对于同一-部位,模仿不同的生理反射的电刺激,刺激信号的波形也有所不同。因此在体外控制器的存储模块以及体内刺激器的信号控制模块中需要预先设置一些刺激信号波形,如高频阻塞式波形、宽脉)中、窄脉冲刺激信号等,如图2-3所示。
3 植入式电刺激系统的发展趋势
植入式电刺激系统在微电子方面研究的关键热点技术主要有:①植入式天线设计;②低功耗植入式集成电路设计技术;③RF射频电路的设计技术;④植入式系统的能量供给技术;⑤集成电路中微弱信号的提取技术:⑥各种前沿的数字信号处理技术的应用;⑦传感器技术和神经电极技术;⑧植入式系统的制作与封装技术。
随着微电子技术和微纳米技术的高速发展,集成电路的特征尺寸已进入0.1μm左右的深亚微米阶段,电路的规模从超大规模发展到了片上系统(SOC),相应的植入式电刺激器的设计业开始朝着以SOC为核心,实现与神经信号检测处理电路和神经刺激电路混合集成或单片集成的方向发展。
参考文献:
[1]黄华,吴宝明,冯正权,卓豫,何庆华,基于Zigbee通信的植入式神经电刺激系统的研究医疗卫生装备,2007,10:28-10.
[2]冯正权植入式神经肌肉点刺激器的电路研究,重庆大学2007.
[3]曹瑛,彭靳,崔乃英,李封,王宏,可遥控神经肌肉电刺激系统研究,仪器仪表学报2005,8:26-8
[4]王晨光,无线控制脑深部电刺激器(DBS)技术研究,中北大学2009
[5]郭忠元,刘景全,芮岳峰,朱正罕,邱可可,杨春生基于FPGA的微刺,激器设计电子测量技术2009 11:32-1 1,
[6]王本有,汪德如,苏守宝基于FPGA的DDS信号发生器系统的设计,电子技术,2007
[7]夏少波,许娥基于Zigbee的无线传感器网络研究,山东通信技术,2009,12,29-4.
[8]谢翔,张春,王志华,微电子技术在生物医学中的应用与发展电路与系统学报2003,4:8—2.
关键词:植入式 电刺激FPGA Zlgbee协议
0 引言
电刺激疗法是使用低频电流刺激失去神经控制的神经、肌肉及其他靶器官,达到防止肌肉萎缩、促进神经再生、缓解疼痛、改善器官及肢体功能的方法。随着微电子技术、通信技术、材料技术以及生物等技术的发展,电刺激已从传统的经皮刺激逐步发展到植入式电刺激的阶段。与经皮电刺激相比,植入式电刺激具有刺激定位准确、治疗效果好而刺激电流小、疼痛感轻等优点。植入式神经电刺激系统的基础研究,将有助于因脊髓损伤导致的瘫痪、周期性偏头痛等病的治疗,造福于患者。
1 植入式电刺激系统的发展历史和研究现状
上世纪70年代兴起的经皮神经电刺激是通过皮肤将特定的低频脉冲电流输入人体以治疗疼痛的电疗方法,在直通方面收到较好的效果,得到了广泛应用。但是这种方法具有定位不准确、刺激信号大小不易控制等缺点。
植入式电刺激技术开始于上世纪80年代末。早期的植入式电刺激系统电路采用分立元件设计,功能简单、可靠性低。到了90年代初,电刺激系统开始采用CMOS专用集成电路以实现程控逻辑功能,但是其研制费用和风险大,硬件逻辑灵活性差,逻辑功能有限。
90年代中期以来的现代植入式电刺激系统设计多采用带微处理器的专用集成电路,再和电容、晶振等分立元件一起组成系统电路。如此设计的电路功能强,可靠性高,编程灵活,系统扩展性好。
目前世界范围内研究比较多的植入式电刺激系统有人工耳蜗、膀胱功能恢复、心肌细胞培养以及脑深部电刺激等。
2 植入式电刺激系统设计方案
2.1 系统结构和工作原理植入式电刺激系统主要由两个部分构成:体外控制器和植入体内的刺激器,通过无线通信方式完成两部分之间的信息传递,结构见图1。系统工作原理是首先,通过体外控制器的按键模块选择存储在存储模块里的刺激信号波形参数,然后经无线通信模块向体内刺激器发送刺激信号的波形类型等参数信息,而体内刺激器由无线模块接收到体外控制器的刺激信号波形的相关参数后,经信号控制模块产生相应的控制信号指导刺激信号发生模块产生频率、极性、脉宽、强度等可变的刺激信号,最后通过生理电极阵列对神经或肌肉进行电刺激,同时体内的刺激器可以通过无线通信模块向体外控制器返回其工作状态,并在显示模块予以显示。
2.2 体外控制器的电路设计体外控制器总体上包括微控制器、无线通信模块、电源管理模块、存储模块、键盘以及显示模块、RS232串口模块等部分组成。
2.2.1 控制模块微控制器选用比较常见的S3C2410。$3C2410处理器是samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核,采用0.18um制造工艺的32位微控制器。该处理器拥有:独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache,MMU,支持TFT的LCD控制器,NAND闪存控制器,3路UART,4路DMA,4路带PWM的Timer,I/O口,RTC,8路10位ADC,Touch Screen接口等,可以支持wince、Linux等操作系统。
微控制器主要负责协调各个模块之间的正常工作。其主要工作包括:①通过外围串口与上位机进行数据传递:②通过键盘选择并读取存储器中预先设置好的刺激信号的波形信息通过无线通信模块发送给体内刺激器,产生相应的刺激信号,同时将接收到的体内刺激器的状态信息写入存储器;③控制显示模块正确显示刺激信号样本以及体内刺激器的相关状态信号。
2.2.2 串口通信模块采用MAX232电平转换芯片,与S3C2410自带的UART接口完成串行通信模块的硬件电路设计。串行通信模块主要负责与上位机的通信:上位机通过串口通信模块将一些预设好的刺激信号波形参数传输至控制模块,并由控制模块写入存储模块。
2.2.3 存储模块存储模块采用型号为K9F6408QOC的NANDFIash,K9F6408QOC是三星公司生产的8Mx8构成、超低电压型、48脚TBGA封装、0.15微米制成的闪存芯片,很容易与S3C2410的NAND Flash闪存控制器进行接口。存储模块的作用是存储一些刺激信号波形参数以及系统工作时的状态信息。
2.2.4 无线通信模块无线通信模块采用基于Zigbee协议的无线通信方式,Zigbee是一种低成本、低功耗、低复杂度的无线通信技术。同时Zigbee通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。除此之外,zigbee还采用了碰撞避免策略,为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,MAC层采用了完全确认的数据传输模式。无线收发芯片选择MCl3192,它是飞思卡尔公司提供的符合}EEE802,15.4标准的带数据调制解调器的射频收发芯片。该芯片性能稳定,功耗很低,采用经济高效的CMOS设计,几乎不需要外部组件,它选择的工作频率是2.405—2.480GHz,数据传输速率为250kbps,采用O-QPSK调试方式。这种功能丰富的双向2.4GHz无线收发器带有一个数据调制解调器,可以在ZigBee技术应用中使用,它还具有一个优化的数字核心,有助于降低Mcu处理功率,缩短执行周期。无线通信模块的主要作用是将用户选择的刺激信号波形信息发送至体内刺激器的无线通信模块,同时接收体内刺激器传回的一些状态信息。
2.2.5 显示、按键以及电源模块显示、按键部分主要负责向用户提供一个可操作、可视化的功能界面,用户可以通过按键选择存储在存储器中的刺激信号,同时可以在显示器上观察到系统的工作状态。电源模块负责向体外控制器的各个部分提供稳定的电压信号。
2.3 体内刺激器的电路设计植入到人体内的刺激器电路由无线通信模块、信号控制模块、刺激信号发生模块、电源模块以及相应的刺激电极组成。其基本工作过程是:当无线通信模块接收到体外控制器的控制命令之后,唤醒信号控制模块,信号控制模块解析接收到的命令,进而控制刺激信号发生模块产生刺激信号,经刺激电极对刺激部位进行电刺激。
2.3.1信号控制模块信号控制模块控制体内刺激器的无线通信模块和刺激信号发生模块的工作,是整个植八式电刺激器的核心。由于植入式电刺激器对功耗要求相当严格,所以信号控制模块通常采用集成度高、低功耗的微处理器及其外围接口电路组成。
信号控制模块采用xiIinx公司生产的Virtex-5产品,它采用65nm工艺,与之前的90nm工艺的FPGA相比,速度平均提高了30%,容量增加了65%,动态功耗降低了35%,使用面积减少了45%。通过硬件描述语言完成电路的设计,可方便地构造出无线通信模块接口以及刺激信号发生模块接口,最主要的是基于FPGA平台,应用 DDS(Direct DiqitaI Frequency Synthesize,直接数字频率合成)技术可方便地产生任意所需的刺激信号波形。
2.3.2 无线通信模块植入式电刺激器通过无线通信的方式与体外控制器进行双向数据传输。由于工作在体内,所以对无线通信模块有低功耗、高可靠性的要求。目前运用在植入式电刺激器上的主要有RF射频无线通信和基于Zigbee协议的无线通信方式等。
考虑到功耗以及与体外无线收发接口等因素,无线通信模块也采用基于Zjgbee协议的无线通信方式,同时也采用与体外无线收发模块相同的芯片。无线通信模块的主要作用是接收体外控制器输入的刺激信号参数信息,并传递给信号控制模块,同时向体外控制器返回体内刺激器的工作状态信息。
2.3.3 刺激信号发生模块通常生理刺激电极间的人体组织负载电阻在1K到几十K欧姆之间变化,加之长期单向电刺激会在刺激组织内产生极化作用,因此通常采用双相恒流电刺激…㈣。
刺激信号的产生采用基于FPGA的DDS技术实现。该技术具有频率分辨率高、变频速度快、变频相位连续、相位噪声低等优点,其幅度、相位、频率均可通过程序控制。由于FPGA产生的波形数据是数字信号,所以需要经过D/A转换,才能形成刺激信号。在本系统中,D/A转换器采用MAX530,它是一款低功耗、12位、并行输入的数模转换器。通常情况下,D/A转换后的信号是单相的,此时需要将单相信号经过正相侧加法器转变为双向信号,其电路如图2-1所示,图中的运算放大器采用Tl公司生产的单电源供电、微功耗OPA2336PA运放。由于刺激信号是恒流信号,所以在正相侧加法器后面还需要加一级压控恒流源电路。普遍采用如图2—2所示的双运放压控恒流源电路,图中的运放采用ADI公司生产的低功耗运算放大器0P200GP,其内部集成了两个OP07。
对于不同部位的电刺激,刺激信号的波形也有所不同:对于同一-部位,模仿不同的生理反射的电刺激,刺激信号的波形也有所不同。因此在体外控制器的存储模块以及体内刺激器的信号控制模块中需要预先设置一些刺激信号波形,如高频阻塞式波形、宽脉)中、窄脉冲刺激信号等,如图2-3所示。
3 植入式电刺激系统的发展趋势
植入式电刺激系统在微电子方面研究的关键热点技术主要有:①植入式天线设计;②低功耗植入式集成电路设计技术;③RF射频电路的设计技术;④植入式系统的能量供给技术;⑤集成电路中微弱信号的提取技术:⑥各种前沿的数字信号处理技术的应用;⑦传感器技术和神经电极技术;⑧植入式系统的制作与封装技术。
随着微电子技术和微纳米技术的高速发展,集成电路的特征尺寸已进入0.1μm左右的深亚微米阶段,电路的规模从超大规模发展到了片上系统(SOC),相应的植入式电刺激器的设计业开始朝着以SOC为核心,实现与神经信号检测处理电路和神经刺激电路混合集成或单片集成的方向发展。
参考文献:
[1]黄华,吴宝明,冯正权,卓豫,何庆华,基于Zigbee通信的植入式神经电刺激系统的研究医疗卫生装备,2007,10:28-10.
[2]冯正权植入式神经肌肉点刺激器的电路研究,重庆大学2007.
[3]曹瑛,彭靳,崔乃英,李封,王宏,可遥控神经肌肉电刺激系统研究,仪器仪表学报2005,8:26-8
[4]王晨光,无线控制脑深部电刺激器(DBS)技术研究,中北大学2009
[5]郭忠元,刘景全,芮岳峰,朱正罕,邱可可,杨春生基于FPGA的微刺,激器设计电子测量技术2009 11:32-1 1,
[6]王本有,汪德如,苏守宝基于FPGA的DDS信号发生器系统的设计,电子技术,2007
[7]夏少波,许娥基于Zigbee的无线传感器网络研究,山东通信技术,2009,12,29-4.
[8]谢翔,张春,王志华,微电子技术在生物医学中的应用与发展电路与系统学报2003,4:8—2.